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Com a invenção da válvula tríodo em 1907, por L. de Forest, estava inaugurada a era da eletrônica. Aperfeiçoando a válvula díodo, inventada por Fleming poucos anos antes, Forest construiu o primeiro dispositivo eletrônico capaz de amplificar tensões elétricas.
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A emissão termoiônica é um fenômeno detectável em qualquer superfície metálica suficientemente aquecida. Vamos analisar a figura 1, que contém duas placas metálicas, denominadas (p) e (k), encerradas em um invólucro onde existe vácuo, uma fonte de tensão (Vb.) e um miliamperímetro (A). Se a placa metálica (k), que chamaremos de cátodo, for suficientemente aquecida, passará a emitir uma grande quantidade de elétrons, produzindo uma determinada corrente elétrica que será indicada pelo amperímetro. Assim, os elétrons que partem do cátodo encontram o campo elétrico produzido pela placa (p), que chamaremos de ânodo, carregada positivamente, e logo são acelerados em direção a ela.
Figura 1
A corrente que pode ser emitida por unidade de superfície do cátodo depende fundamentalmente da temperatura de operação e da função de trabalho do material empregado na construção do mesmo. Alcançado o valor mínimo de energia térmica aplicada ao cátodo, valor este determinado pela função de trabalho do material empregado, a emissão termoiônica inicia e aumenta rapidamente com o aumento da temperatura. A emissão termoiônica normalmente não ocorre, ou ocorre com baixa eficiência, à pressão atmosférica normal. Por este motivo, as válvulas eletrônicas são montadas dentro de um invólucro, geralmente de vidro, onde existe alto vácuo.
A corrente que circula entre (k) e (p) pode ser limitada de duas formas:
1.Se (Vb.) for suficientemente elevada para impedir que os elétrons emitidos pelo cátodo estacionem no espaço intereletródico, a corrente (I) é limitada pela temperatura; 2.Quando uma certa quantidade de elétrons emitidos pelo cátodo não passam instantaneamente para o ânodo, estabelece-se uma carga espacial no espaço intereletródico da válvula. Desta forma, a corrente (I) é limitada pela carga espacial.
Nas aplicações práticas com válvulas eletrônicas, o cátodo é mantido a uma temperatura bastante elevada, em torno de 1000 graus °C. Como nem todos os elétrons passam instantaneamente para o ânodo, pois é necessário um tempo finito de trânsito entre (k) e (p), haverá sempre uma carga espacial em torno de (k).
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A válvula díodo é a mais simples das válvulas eletrônicas, pois contém apenas dois eletrodos. Embora tenha uma infinidade de aplicações, é usada basicamente como retificadora em fontes de alimentação. A denominação "válvula", provem da característica fundamental do díodo, que é permitir a circulação de corrente somente em um sentido, atuando como um interruptor. As válvulas têm um tempo de aquecimento de alguns minutos, tempo este necessário para que o filamento aqueça o cátodo e a emissão termoiônica inicie. Se utilizarmos díodos semicondutores na fonte de alimentação a alta-tensão aparece nas placas das válvulas instantaneamente, estando o cátodo ainda frio e, portanto, sem condições de estabelecer um fluxo elétrico para a placa. Por outro lado, se utilizarmos válvulas retificadoras a alta-tensão só surgirá nas placas das válvulas quando a própria retificadora atingir um nível de aquecimento suficiente. Existe, desta forma, um equilíbrio entre o aquecimento das válvulas e alta-tensão nas placas. Em outras palavras, a alta-tensão de placa só atinge seu valor nominal quando o cátodo estiver suficientemente aquecido. A expectativa de vida útil de uma válvula aumenta consideravelmente quando usamos válvulas retificadoras no lugar de díodos semicondutores nas fontes de alimentação. Tomando por base o que foi exposto em Emissão Termoiônica, podemos compreender como o díodo a vácuo funciona. Inicialmente, vamos nos familiarizar com a simbologia do díodo e seus aspectos construtivos básicos. A figura 2 mostra os símbolos empregados em diagramas e circuitos e a correspondente estrutura física interna.
Figura 2
Os díodos de aquecimento direto utilizam o filamento como eletrodo negativo, o cátodo, enquanto os de aquecimento indireto tem uma estrutura separada para o cátodo. O funcionamento de díodos de aquecimento direto é idêntico ao de aquecimento indireto, sendo que os díodos de aquecimento direto têm uma vida útil sensivelmente inferior em função do desgaste prematuro do filamento e, consequentemente, do cátodo, fazendo com que a válvula perca eficiência de emissão. O mercado atual de válvulas eletrônicas oferece ambos os tipos de díodos. Os díodos de aquecimento direto duplo, denominados duplo-diodo, (vide figura 2) são mais comuns e equipam a maioria dos amps comerciais, tanto aqueles que chamamos de "vantage amps" como os produzidos na atualidade. Como já dissemos, a principal característica da válvula díodo é permitir o fluxo elétrico somente em um sentido. Observando a figura 3, verificamos que o fluxo elétrico só é detectável pelo miliamperímetro quando a placa está polarizada positivamente com relação ao cátodo. Quando a placa se torna negativa em relação ao cátodo o fluxo elétrico é imediatamente interrompido e a corrente circulante é, para todos os efeitos práticos, nula. Isto acontece porque, estando a placa negativa, não pode atrair os elétrons que deixam o cátodo, pois os mesmos tem carga negativa.
Salvo menção em contrário, todos os potenciais dos eletrodos da válvula são referenciados ao cátodo;
O fluxo de elétrons em uma válvula é do cátodo para a placa. No entanto, convencionou-se considerar este fluxo em termos de seu equivalente em cargas positivas. Assim, + I será da placa para o cátodo.
As simbologias de tensão e corrente para os diversos eletrodos das válvulas eletrônicas podem parecer um pouco curiosas e confusas, pois foram adotadas nos primórdios da eletrônica. Abaixo relacionamos as principais, inclusive para a válvula tríodo.
Tensão de placa: Eb ou Va Tensão de alimentação: Ebb ou Vb. Tensão de polarização de grade de controlo: Ecc Tensão de grade de controle: Ec, Eg ou Vg Tensão de filamento: Ef ou Vf Corrente de placa: Ib ou Ia
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A válvula tríodo, um dispositivo de três eletrodos, é o primeiro resultado do aperfeiçoamento do díodo à vácuo. A inclusão de um terceiro eletrodo, estrategicamente colocado entre o cátodo e a placa, constituiu o primeiro dispositivo eletrônico, em torno do qual pode ser implementado qualquer circuito eletrônico, seja um amplificador um oscilador ou um filtro. Esse terceiro eletrodo é denominado grade ou, mais especificamente, grade de controle, cuja função é controlar a corrente que circula entre o cátodo e a placa. Sendo um eletrodo "aberto", a grade de controle, em princípio, não está incluída, sob o aspecto de corrente contínua, no circuito cátodo-placa. A grade de controle, salvo em aplicações especiais, é sempre polarizada negativamente em relação ao cátodo. A título de ilustração, a válvula tríodo se assemelha, em termos de princípio de operação, ao transistor de efeito de campo (FET). A figura 5 apresenta a simbologia tradicional encontrada em diagramas esquemáticos e na literatura em geral para tríodos e duplo-tríodos, sendo este último nada mais que dois tríodos completamente independentes montados no mesmo invólucro. Em raríssimos casos o filamento é desenhado dentro do símbolo do tríodo. Geralmente são desenhados na fonte de alimentação com seus respectivos pinos.
Figura 5
Os tríodos simples são, via de regra, tríodos de potência de aquecimento direto, capazes de entregar alguns watts a um alto-falante através de uma impedância adequada (transformador de saída). São usados principalmente em estágios de potência single-ended de amplificadores para alta-fidelidade. O único tipo fabricado atualmente é a 2A3. Geralmente, tem tensão de filamento igual a 2,5V sob corrente contínua ou alternada. Os tríodos simples para aplicações gerais em áudio são de aquecimento indireto, tendo tensão de filamento igual a 6,3V sob corrente contínua ou alternada. Os duplo-tríodos representam a quase totalidade destes dispositivos fabricados atualmente. São válvulas miniaturas de 9 pinos e têm filamentos independentes com um ponto em comum. Portanto, podem ser ligados em paralelo a uma fonte de tensão de 6,3V ou em série a uma fonte de 12,6V, contínua ou alternada. Vamos agora verificar como o tríodo se comporta sob o aspecto de corrente contínua, ou seja, admitindo que a grade de controle está polarizada por um potencial cc sem nenhuma corrente alternada. A introdução da grade de controle inserida entre cátodo e placa permite o controle efetivo da corrente que circula entre estes eletrodos. É fácil constatar a eficiência deste controle quando admitimos que a grade está polarizada negativamente em relação ao cátodo. A figura 6 apresenta um circuito básico a tríodo com a grade polarizada com três valores de tensão negativa e um com tensão positiva e mantendo a tensão de placa fixa. Este circuito incorpora, agora, uma fonte de polarização negativa ajustável denominada Ecc. N os circuitos práticos, a tensão de grade de controle Ec é obtida diretamente através de Ebb e não de Ecc. Na verdade, todas as tensões necessárias para polarizar os eletrodos de uma válvula são obtidas através de Ebb.
Figura 6
A figura 6 (A) mostra o tríodo com uma tensão de polarização de grade fortemente negativa. Quando isto ocorre, não circula nenhuma corrente no circuito cátodo-placa. Diz-se, então, que o
